固态成像装置、固态成像装置的制造方法和电子设备的制作方法

固态成像装置、固态成像装置的制造方法和电子设备的制作方法
【专利摘要】本发明涉及固态成像装置、固态成像装置的制造方法和电子设备。固态成像装置包括：多个单位像素，单位像素包括光电转换部分和波导，光电转换部分把入射光转换成电信号，波导在内面具有二次曲线面并把入射光引导到光电转换部分。
【专利说明】固态成像装置、固态成像装置的制造方法和电子设备
[0001]本申请为同一 申请人:于2010年2月25日提交的申请号为201010125883.0、发明名称为“固态成像装置、固态成像装置的制造方法和电子设备”的中国专利申请的分案申请。
【技术领域】
[0002]本发明涉及一种固态成像装置、固态成像装置的制造方法和电子设备，尤其涉及一种具有波导结构的固态成像装置、该波导结构的制造方法和具有该固态成像装置的电子设备。
【背景技术】
[0003]固态成像装置(例如，CMOS型固态成像装置(以下称为“CMOS图像传感器”))具有这样的特征:通过使用CMOS工艺，外围电路(诸如DSP (数字信号处理器))能够安装在同一芯片(基片)上。当外围电路安装在同一电路时，存在这样的情况:使用多级互连结构(诸如关于配线的四层结构)以减小外围电路的规模。
[0004]然而，在使用多级互连结构的情况下，由于基片表面(硅界面)与微透镜(片上透镜)之间的距离增加，当穿过微透镜入射的光会聚(引导)于光接收部分(光电转换部分)的光接收表面时，聚光效率降低。聚光效率降低时，像素灵敏度降低。
[0005]相应地，已知所谓的波导结构，其中波导被设置于像素的中心，由此把光限制于波导内以减少从微透镜到光接收部分的光路中的光量损失，从而增加聚光效率并提高像素灵敏度。
[0006]现有技术中，为了更有效地把光引导到光接收部分，提出一种具有前向锥形部分的波导结构，其中从光入射方向观察，平面形状的尺寸从光入射侧的表面到光接收部分侧逐渐减小(例如参见JP-A-2004-221532(专利文件I))。此外，提出这样一种结构:与专利文件I描述的波导结构相比，锥形部分的锥形部分(入口侧)的上部的孔径很大，由此增加入射光量(例如参见JP-A-2008-103757 (专利文件2))。

【发明内容】

[0007]专利文件1、2描述的波导结构的情况下，通过锥形部分的作用，光能够高效地会聚于光接收部分的光接收表面，然而，没有考虑当与光接收表面垂直的光(平行于波导的中心轴入射的光)在波导的锥形表面被反射时获得的光。也就是说，难以把在波导中反射的光会聚在该结构的光接收部分的光接收表面上。
[0008]考虑到以上情况，希望提供一种固态成像装置，其能够有效地把包括平行于波导的中心轴入射的光的光会聚在光接收部分(光电转换部分)，以及该波导结构的制造方法和具有该固态成像装置的电子设备。
[0009]根据本发明的实施例，在具有多个单位像素的固态成像装置中，其中单位像素包括光电转换部分和波导，光电转换部分把入射光转换成电信号，波导把入射光引导到光电转换部分，所述波导的内面是二次曲线面。
[0010]由于在具有以上结构的固态成像装置中，波导的内面是二次曲线面，尤其当平行于波导的中心轴入射的光(平行光)在二次曲线面上被反射时，根据二次曲线面的特性，使所述光被有效地会聚到光电转换部分，结果提高了聚光效率。
[0011]根据本发明的实施例，尤其是平行于波导的中心轴入射的光能够有效地会聚到光电转换部分并且能够提高聚光效率，因此能够提高灵敏度。
[0012]根据本发明的实施例，一种具有多个单位像素的固态成像装置的制造方法，所述单位像素包括:光电转换部分，把入射光转换成电信号；以及波导，在内面具有二次曲线面并把所述入射光引导到所述光电转换部分，该方法包括步骤:分多个阶段反复执行如下处理:在逐渐增加光刻胶的孔穴尺寸的同时对在其中形成波导的绝缘层进行蚀刻处理，以在所述绝缘层中形成所述波导的孔穴。
[0013]根据本发明的实施例，一种电子设备，包括:具有多个单位像素的固态成像装置，所述单位像素包括:光电转换部分，把入射光转换成电信号，以及波导，在内面具有二次曲线面并把所述入射光引导到所述光电转换部分。
【专利附图】

【附图说明】
[0014]图1是表示应用本发明的CMOS图像传感器的结构轮廓的系统结构示图；
[0015]图2是表示单位像素的电路结构例子的电路图；
[0016]图3是表示具有根据本发明第一实施例的波导结构的像素的截面结构的截面图；
[0017]图4是表示平行于抛物线的对称轴“O”入射的光被会聚于抛物线的焦点Fl的状态示图；
[0018]图5是表示根据第一实施例的波导结构的制造方法例子的工艺图；
[0019]图6是表示包括根据本发明第二实施例的波导结构的像素的截面结构的截面图；
[0020]图7是表示在椭圆中穿过焦点Fl的光被会聚到焦点F2的状态示图；
[0021]图8是表示根据第二实施例的波导结构被应用于使用光瞳校正技术的CMOS图像传感器的情况的截面图；
[0022]图9是表示根据第二实施例的波导结构的制造方法例子的工艺图；
[0023]图10是表示根据本发明实施例的作为电子设备例子的成像设备的结构例子的方框图。
【具体实施方式】
[0024]以下参照附图详细解释执行本发明的最佳实施方式(以下写为“实施例”)。按下面次序解释。
[0025]1、应用本发明的固态成像装置(CMOS图像传感器的例子)
[0026]2、第一实施例(波导内面是抛物面的例子)
[0027]3、第二实施例(波导内面是椭圆面的例子)
[0028]4、修改例子
[0029]5、应用例子(成像设备)
[0030]< 1、应用本发明的固态成像装置>[0031][系统结构]
[0032]图1是表示应用本发明的固态成像装置(例如CMOS图像传感器，其是X-Y地址类型固态成像装置)的结构轮廓的系统结构示图。这里，CMOS图像传感器是通过应用或部分使用CMOS工艺形成的图像传感器。
[0033]如图1所示，根据本应用例子的CMOS图像传感器10包括:像素阵列单元11，形成在半导体基片(芯片)18上；外围电路单元，与像素阵列单元11集成在同一半导体基片18上。至于外围电路，例如提供了垂直驱动单元12、列处理单元13、水平驱动单元14和系统控制单元15。
[0034]在像素阵列单元11中，未示出的单位像素(以下它们可仅写为“像素”)根据矩阵状态以二维方式排列，其中像素包括光电转换单元(例如光电二极管)，光电转换单元把入射的可见光光电转换成与光量对应的电荷量。每个像素设有用于会聚入射光的透镜(即所谓的微透镜)、彩色显示器等的情况下的滤色片等(虽然未示出)。稍后将描述单位像素的具体结构。
[0035]在像素阵列单元11中，像素驱动线16相对于矩阵状态的像素排列的各行，沿附图的左右方向(像素行/水平方向的像素排列方向)而形成，垂直信号线17相对于各个列，沿附图的上下方向(像素列/垂直方向的像素排列方向)而形成。在图1，仅示出一个像素驱动线16，然而，不限于一个线。像素驱动线16的一端连接到与垂直驱动单元12的每行对应的输出端。
[0036]垂直驱动单元12包括移位寄存器、地址解码器等。垂直驱动单元12包括读取扫描系统和清除扫描系统，虽然读取扫描系统和清除扫描系统的具体结构未在这里示出。读取扫描系统依次执行单位像素(从这些单位像素逐行读取信号)的选择扫描。
[0037]另一方面，在读取扫描之前的与快门速度对应的时间段，清除扫描系统执行清除扫描，其中清除(重置)由读取扫描系统执行读取扫描的读取行中的单位像素的光电转换元件的不必要电荷。通过清除扫描系统的清除(重置)不必要电荷的操作，来执行所谓的电子快门操作。电子快门操作是指这样的操作:清除光电转换元件的光电电荷，并重新开始曝光(开始光电电荷的积累)。
[0038]通过读取扫描系统的读取操作读取的信号对应于在紧邻前一读取操作或电子快门操作之后入射的光量。从紧邻前一读取操作的读取时刻、或紧邻前一电子快门操作的清除时刻，到当前的读取操作的读取时刻的时间段，是单位像素中光电电荷的积累时间(曝光时间)。
[0039]从垂直驱动单元12选择地扫描的像素行的各个单位像素输出的信号通过各个垂直信号线17被提供给列处理单元13。列处理单元13在像素阵列单元11中以像素列为单位对选择的行中的各个像素20输出的模拟像素信号执行预定信号处理。
[0040]至于列处理单元13的信号处理，例如采用⑶S (相关双采样)处理。⑶S处理是这样的处理:其中从所选择的行的各个像素输出重置电平和信号电平、并获取这些电平之差，由此获得一行的像素信号、并去除像素的固定模式噪声。对模拟像素信号数字化的AD转换功能也可以包括在列处理单元13中。
[0041]水平驱动单元14包括移位寄存器、地址解码器等，依次执行与列处理单元13的像素列对应的选择扫描电路部分。根据水平驱动单元14的选择扫描，依次输出在列处理单元13中以像素列为单位处理的像素信号。
[0042]系统控制单元15接收从半导体基片18外部提供的时钟、指示操作模式等的数据，并且还输出数据(诸如CMOS图像传感器10的内部信息)。系统控制单元15还包括产生各种定时信号的定时发生器，基于定时发生器产生的各种定时信号执行垂直驱动单元12、列处理单元13和水平驱动单元14等的驱动控制。
[0043][单位像素的电路结构]
[0044]图2是表示单位像素20的例子的电路图。如图2所示，除了作为光电转换单元的例子的光电二极管21，根据该电路例子的单位像素20包括四个晶体管，例如，传输晶体管22、重置晶体管23、放大晶体管24和选择晶体管25。
[0045]这种情况下，至于四个晶体管22至25，例如使用N沟道MOS晶体管。然而，这里采用的传输晶体管22、重置晶体管23、放大晶体管24和选择晶体管25的导电类型的组合仅为例子，并不限于这种组合。
[0046]至于像素驱动线16，例如在单位像素20中对同一像素行的每个像素共同地提供三个驱动线:传输线161、重置线162和选择线163。传输线161、重置线162和选择线163的各端以像素行为单位连接到与垂直驱动单元12的每个像素行对应的输出端。
[0047]光电二极管21在阳极电极连接到负极侧电源(例如，地)，把接收光光电转换成与光量对应的电荷量的光电电荷(这种情况下是光电子)并积累光电电荷。光电二极管21的阴极电极通过传输晶体管22电连接到放大晶体管24的栅极电极。电连接到放大晶体管24的栅极电极的节点26被称为FD (浮动扩散)部分。
[0048]传输晶体管22连接在光电二极管21的阴极电极和FD部分26之间。对于传输晶
体管22的栅极电极，通过传输线161提供传输脉冲(pTRF,其中高电平(例如Vdd电平)
是有效的(以下写为“高有效”)。据此，传输晶体管22变为导通状态并把光电二极管21光电转换的光电电荷传输到FD部分26。
[0049]重置晶体管23分别在漏极电极连接到像素电源Vdd并在源极电极连接到FD部分
26。对于重置晶体管23的栅极电极，通过重置线162提供高有效重置脉冲CpRST。据此，
重置晶体管23变为导通状态，并通过在信号电荷从光电二极管21传输到FD部分26之前，把FD部分26的电荷清除到像素电源Vdd，来重置FD部分26。
[0050]放大晶体管24分别在栅极电极连接到FD部分26并在漏极电极连接到像素电源Vdd0放大晶体管24在被重置晶体管23重置之后输出FD部分26的电势作为重置信号(重置电平)Vreset。放大晶体管24还在传输晶体管22传输信号电荷之后输出FD部分26的电势作为光积累信号(信号电平)Vsig。
[0051]选择晶体管25在漏极电极连接到放大晶体管24的源极电极并在源极电极连接到垂直信号线17。对于选择晶体管25的栅极电极，通过选择线163提供高有效选择脉冲CpSEL.。据此，选择晶体管25变为导通状态，在单位像素20为选择状态的情况下，把从放大晶体管24输出的信号转送给垂直信号线17。
[0052]选择晶体管25能够应用被连接在像素电源Vdd和放大晶体管24的漏极之间的电路结构。
[0053]单位像素20不限于以上结构的包括四个晶体管的像素结构。例如，能够应用包括三个晶体管的像素结构，其中放大晶体管24还用作选择晶体管25，并且能够使用任何像素电路结构。
[0054]根据如上解释的本发明的应用例子的CMOS图像传感器10包括波导结构，其中波导被设置在像素的中心以便有效地把入射到每个像素20的光引导到光电二极管21 ( S卩，增加聚光效率)。
[0055]根据本发明的实施例，当把穿过微透镜入射的光引导到光电二极管21的光接收表面时，具有波导结构的CMOS图像传感器10能够进一步提高聚光效率。如下解释提高聚光效率的波导结构的具体实施例。
[0056]〈2、第一实施例>
[0057][像素结构]
[0058]图3是表示具有根据本发明第一实施例的波导结构的像素的截面结构的截面图。
[0059]在图3，光电转换入射光的光电转换部分(光接收部分)32被形成在与图1的半导体基片18对应的半导体基片(例如，硅基片31)的表面层部分。光电转换部分32被形成为二极管(与图2的光电二极管21对应)，该二极管包括例如P型扩散层和在P型扩散层的基片表面侧的N型扩散层。光电转换部分32可具有这样的结构:该结构的表面还由包括P型扩散层的空穴积累层所覆盖。
[0060]像素晶体管(诸如，传输晶体管22)的栅极电极33穿过基底绝缘膜(未示出)而形成，并且夹层绝缘膜34被沉积在硅基片31上。在夹层绝缘膜34的表面侧，通过以凹槽图案埋入导电材料来形成配线35。重复所述夹层绝缘膜34的沉积和配线35的形成，然后，最终形成夹层绝缘膜34以由此形成多级互连层36。
[0061]在多级互连层36中，各层的配线35适当通过接触部分37电连接。在多级互连层36中的光电转换部分32上方的部分，形成具有抛物表面(抛物面)的用于波导的孔穴38A。透光埋入层(透明膜)39埋入在孔穴38A中以形成波导40A。这里，通过在具有抛物面的孔穴38A中埋入透射埋入层39而形成波导40A，因此，波导40A的内面变为抛物面。
[0062]在包括波导40A的多级互连层36上，给定颜色43的滤色片43穿过钝化膜41和平坦化膜42而形成。另外在滤色片43上，设置了透镜，具体地是微透镜44，称为片上透镜。以上部件构成单位像素20，其具有把穿过微透镜44入射的光引导到光电转换部分32的光接收表面的波导40A。
[0063]包括具有以上结构的波导40A的像素中，形成波导40A的内面的抛物面是一种二次曲线面。已知平行于抛物线(该抛物线是抛物面的横截面)的对称轴“O”入射的光(平行光)被会聚于抛物线的焦点F1，如图4所示。本实施例的一个特征在于:利用抛物线的原理，抛物线的形状被用于波导40A的内面。
[0064]优选地提供波导40A以使与抛物线的对称轴“O”对应的波导40A的中心轴对应于穿过微透镜44的中心的一条光线，即主光线P。该透镜具有围绕一个轴旋转对称的表面，并且旋转对称轴将会是光轴。旋转对称轴和透镜球面彼此交叉的点是微透镜44的中心。
[0065]形成根据实施例的波导40A，以便抛物线的焦点Fl位于例如光电转换部分32的光接收表面(光电二极管21的界面)。抛物线的焦点Fl的位置不限于光电转换部分32的光接收表面。
[0066]如上所述，使波导40A的内面为抛物面，由此把未被微透镜44会聚于光电转换部分32的光接收表面的光(尤其是平行于波导40A的中心轴(光轴)P入射的光(平行光))，会聚于光电转换部分32的光接收表面。因此，与内面具有锥形形状的现有技术的结构(其中在波导中反射的光不能会聚于光电转换部分32的光接收表面)相比，能够提高聚光效率。
[0067]当像素之间的距离减小，尤其是随着近年来像素尺寸的小型化而减小时，在内面具有锥形形状的波导结构的相关技术的波导结构中，穿过波导透射的光被入射在相邻像素的光电转换部分上并且在相邻像素中被光电转换，这是颜色混合的部分原因。另一方面，在根据本实施例的波导结构中，入射在波导40A上的光能够有效地会聚于光电转换部分32的光接收表面，因此，能够防止由穿过波导透射的光所引起的颜色混合。
[0068]以上结构能够进一步把平行于光轴P的光会聚于光电转换部分32的光接收表面，因此，该结构能够应用于不具有微透镜44的像素结构。此外，由于波导40A的内面是抛物面，从光入射方向观察的平面形状的尺寸在微透镜44侧大于在光电转换部分32侧。因此，该结构具有这样的优点:与例如圆柱形的波导结构相比，穿过微透镜44透射的光能够更多地进入波导40A。
[0069]本实施例具有波导结构，其中抛物线的焦点Fl位于光电转换部分32的光接收表面，然而，沿光轴方向的焦点Fl的位置可以根据设计可选地设置。如果抛物线的焦点Fl的位置在光电转换部分32的光接收表面(界面)下方，关于光电转换不存在任何问题，因此，关于焦点Fl的位置可以有更大的余地，并且可以把除平行光之外的光会聚于光电转换部分32的光接收表面。
[0070]另外，焦点Fl的位置能够根据颜色(即，红光、绿光和蓝光)而改变。据此，能够实现根据颜色考虑更有效的光电转换的聚光。具体地，根据光的波长，光电转换部分32中能够执行更有效的光电转换的区域不相同。关于光电转换部分32中的光电转换区域，蓝光的区域最浅，红光的区域最深。
[0071]因此，焦点Fl距离光电转换部分32的光接收表面(界面)的位置(深度)被设置为按照蓝光、绿光和红光的次序而变深。据此，能够根据红光、绿光和蓝光的各个颜色实现考虑更有效的光电转换的聚光。现有技术的的波导结构，其包括具有锥形形状的内面的波导结构，仅考虑把入射光会聚于光接收表面的情况下而被制造，而没有在考虑光电转换效率的情况下适合各个颜色的结构。
[0072]会聚于焦点Fl的光束点的尺寸可选地通过改变例如抛物面的曲率而设置。即使当光束点的尺寸改变时，光量不改变。因此，例如，即使当光电转换部分32的光接收表面随着近年来像素尺寸的小型化而减小时，也能够通过减小光束点的尺寸，把光束点可靠地应用于光接收表面。
[0073]光束点的尺寸能够根据红光、绿光和蓝光的各颜色而改变。光束点的尺寸根据各颜色改变，由此，即使如上所述光电转换部分32的光电转换区域根据各个颜色而不同，当应用光束点时也能够获得对每个颜色最佳的光电转换区域。结果，能够实现根据红光、绿光和蓝光各个颜色的更有效的光电转换。此外，由于光束点能够减小，光束点能够被应用于光电转换区域同时避免障碍。
[0074][制造方法]
[0075]下面参照图5的工艺图解释关于具有根据以上第一实施例的波导结构的像素的制造方法工艺例子。为了更容易理解，在图5对与图3的部件相同的部件给予相同的标号。
[0076]这里解释根据第一实施例的波导结构的工艺，即在图3的夹层绝缘膜34中形成波导40A的工艺。现有工艺能够用于在形成波导结构的工艺之前和之后的工艺。
[0077]纵横比(aspect rat1)在前半部分和后半部分不同的工艺被用于形成波导的孔穴38A的工艺过程中。另外，如下所述，在改变蚀刻气体的强度的同时反复执行蚀刻，由此形成凸孔穴38A的内面。
[0078]具体地，因为抛物线的切线是直线，使用具有与波导的孔穴38A的底部表面对应的孔穴尺寸的光刻胶51A，来执行蚀刻(工艺I)。接下来，使用具有比光刻胶5IA的孔穴尺寸大的孔穴尺寸的光刻胶51B，来执行蚀刻(工艺2)。随后，使用具有比光刻胶51B的孔穴尺寸还大的孔穴尺寸的光刻胶51C，来执行蚀刻(工艺3)。
[0079]如上所解释，通过逐渐增加孔穴尺寸(以步进方式或连续地)同时允许光刻胶51向后移动来执行蚀刻的工艺被反复执行直到足够次数，以便以多个阶段形成抛物面。据此，最终形成在内面具有抛物面的波导的孔穴38A(工艺N)。在蚀刻工艺中，不仅沿横向方向执行蚀刻，还沿深度方向执行蚀刻，因此，通过增加蚀刻的次数和改变蚀刻气体的强度，蚀刻表面能够变形为任意形状。
[0080]〈3、第二实施例>
[0081][像素结构]
[0082]图6是表示包括根据本发明第二实施例的波导结构的像素的截面结构的截面图，该图对与图3的部件相同的部件给予相同的标号。
[0083]在图6,光电转换入射光的光电转换部分32形成在娃基片31的表面层部分上。光电转换部分32被形成为二极管(与图2的光电二极管21对应)，该二极管包括例如P型扩散层和在P型扩散层的基片表面侧的N型扩散层。光电转换部分32可具有这样的结构:该结构的表面还由包括P型扩散层的空穴积累层所覆盖。
[0084]像素晶体管(诸如传输晶体管22)的栅极电极33穿过基底绝缘膜(未示出)而形成，并且夹层绝缘膜34沉积在硅基片31上。在夹层绝缘膜34的表面侧，通过以凹槽图案埋入导电材料来形成配线35。重复所述夹层绝缘膜34的沉积和配线35的形成，然后，最终形成夹层绝缘膜34以由此形成多级互连层36。
[0085]在多级互连层36中，各层的配线35适当通过接触部分37电连接。在多级互连层36中的光电转换部分32上方的部分，形成具有椭圆面的用于波导38B的孔穴。透光埋入层(透明膜)39被埋入在孔穴38B中以形成波导40B。这里，穿过埋入在孔穴38B中的透射埋入层39形成波导40B，因此，波导40B的内面变为椭圆面。
[0086]在包括波导40B的多级互连层36上，给定颜色的滤色片43穿过钝化膜41和平坦化膜42而形成。另外，在滤色片43上，设置了微透镜44。以上部件构成单位像素20，其具有把穿过微透镜44入射的光引导到光电转换部分32的光接收表面的波导40B。
[0087]在包括具有以上结构的波导40B的像素中，形成波导40B的内面的椭圆面是一种二次曲线面。已知穿过焦点Fl透射的光被会聚于椭圆中的焦点F2，该椭圆是椭圆面的横截面，如图7所示。本实施例的一个特征在于:利用椭圆的原理，椭圆的形状用于波导40B的内面。
[0088]优选地提供波导40B以使位于与椭圆的对称轴“O”相对应的波导40B的中心轴的焦点Fl是位于穿过微透镜44的中心的主光线P上。主光线P表示穿过微透镜44的中心(即如上所述微透镜44的旋转对称轴和透镜球面彼此交叉的点)的一条光线。微透镜44把入射光会聚于波导40B的焦点Fl (椭圆的焦点Fl)。
[0089]不管波导40B的焦点F2(椭圆的焦点F2)是否位于光电转换部分32的光接收表面(界面)、或者不管波导40B的焦点F2是否位于光电转换部分32的光接收表面下方(与第一实施例相同的方式)，关于光电转换不存在任何问题。此外，焦点F2的位置能够根据颜色(即，红光、绿光和蓝光)而改变，由此实现根据颜色考虑更有效的光电转换的聚光。
[0090]按照与第一实施例相同的方式，会聚于焦点F2的光束点的尺寸能够根据颜色改变，由此实现光电转换部分32中根据各个颜色的更有效的光电转换。
[0091]如上所述，使波导40B的内面为椭圆面，由此把微透镜44会聚并穿过焦点Fl的光会聚于光电转换部分32的光接收表面、或位于光接收表面下方的焦点F2。因此，与现有技术的波导结构(其包括在内面具有锥形形状的波导结构)相比，能够提高聚光效率。
[0092][光瞳校正]
[0093]根据实施例的波导40B尤其适合应用于使用称为光瞳校正(pupil correct1n)的已知技术的CMOS图像传感器，光瞳校正通常用于薄型照相机镜头，其出瞳(exit pupil)距离较短，以减缓周围光量的降低。
[0094]光瞳校正是如下所述的技术。首先，在作为成像表面的像素阵列单元11的中心部分,把光独立地入射到像素20的微透镜44的中心被允许与光电转换部分32的孔径的中心(即，光电转换部分32的区域重心)对齐。另一方面，在像素阵列单元11的外围部分，微透镜44的中心位置相对于光电转换部分32的孔径中心被移位(提供偏移)以对应于朝向外部的主光线的方向。这里,主光线表示如上所述穿过微透镜44的中心的一条光线。
[0095]简而言之，在像素阵列单元11的外围部分提供微透镜44的中心和光电转换部分32的孔径中心之间偏移的技术称为光瞳校正。使用光瞳校正的技术，可以允许照相机镜头更薄，并且即使入射到微透镜44的光以各种角度进入到成像表面，也可以防止光电转换部分32的孔径外围的光的渐晕(vignetting)。据此，在整个像素阵列单元11 (整个成像表面)上，各个像素20的聚光效率能够近似恒定，因此，能够实现灵敏度的综合性能提高。
[0096]使用光瞳校正技术的CMOS图像传感器中，如上所述，在像素阵列单元11的外围部分，在微透镜44的中心和光电转换部分32的孔径中心之间产生偏移。然后，在包括内面具有锥形形状的波导结构的现有技术的波导结构中，很有可能在波导中反射的光很大程度地偏离光电转换部分32的光接收表面，这导致灵敏度的降低和阴影。
[0097]另一方面，使用光瞳校正技术的CMOS图像传感器中，使用根据实施例的波导结构(即，波导40B的内面是椭圆面的波导结构)作为像素阵列单元11的外围部分的像素的波导结构，能够增加聚光效率。具体地，倾斜入射到像素的光被微透镜44会聚于焦点F1，如图8所示，由此有效地把穿过焦点Fl的光会聚于光电转换部分32。因此，与现有技术的波导结构相比，能够提高灵敏度并且能够防止阴影。
[0098][制造方法]
[0099]下面参照图9的工艺图解释关于具有根据以上第二实施例的波导结构的像素的制造方法工艺的例子。为了更容易理解，图9对与图6的部件相同的部件给予相同的标号。
[0100]这里解释根据第二实施例的波导结构的工艺，即在图6的夹层绝缘膜34中形成波导40B的工艺。现有工艺能够用于在形成波导结构的工艺之前和之后的工艺。
[0101]作为形成波导38B的孔穴的工艺，本实施例基本使用与以上第一实施例的情况下形成波导的孔穴38A的工艺相同的工艺。具体地，使用具有与波导的孔穴38B的底部表面对应的孔穴尺寸的光刻胶51A来执行蚀刻(工艺I)。接下来，使用具有比光刻胶51A的孔穴尺寸更大的孔穴尺寸的光刻胶5IB来执行蚀刻(工艺2)。
[0102]随后，使用具有比光刻胶51B的孔穴尺寸还大的孔穴尺寸的光刻胶51C来执行蚀刻(工艺3)。相应地，通过逐渐增加孔穴尺寸(以步进方式或连续地)同时允许光刻胶51向后移动来执行蚀刻。把这些工艺反复执行足够的次数，以便以多个阶段形成椭圆面的一半，由此形成半椭圆面38B-1 (工艺N)，其在具有椭圆内面的波导38B的孔穴的下侧。
[0103]接下来，通过相同的工艺(工艺I到工艺N)形成上侧的半椭圆面38B-2。在蚀刻工艺中，不仅沿横向方向执行蚀刻，还沿深度方向执行蚀刻，因此，通过增加蚀刻的次数和改变蚀刻气体的强度，蚀刻表面能够变形为任意形状。
[0104]然后，形成上侧半椭圆面38B-2的基片以上下颠倒的状态连接到形成下侧半椭圆面38B-1的基片，由此最终形成在内面具有椭圆面的波导38B的孔穴(工艺N+1)。至于接合两个基片的方法，可以使用背照明图像传感器中使用的现有方法。使用例如SOI (绝缘层上硅)基片能够执行两个基片的接合。
[0105]〈4、修改例子〉
[0106]以上各实施例中，作为例子已解释了波导的孔穴38A、38B形成在夹层绝缘膜34中并且透光埋入层39被埋入到这些孔穴38A、38B中的波导结构的情况，然而，本发明不限于应用于该波导结构。例如，还可以把使波导的孔穴38A、38B的内面为二次曲线面的技术应用于这样的波导结构:其中金属膜被形成于波导的孔穴38A、38B的内面，并且由金属膜反射光。
[0107]此外在以上各实施例中，作为例子已解释了应用于CMOS图像传感器的情况，然而，不限于应用于CMOS图像传感器。也就是说，本发明能够应用于所有X-Y地址类型固态成像装置，其中检测与可见光的光量对应的电荷作为物理量并输出它们作为电信号的单位像素以矩阵状态排列。本发明还能够应用于以CCD(电荷耦合装置)图像传感器为代表的电荷传输类型固态成像装置，而不限于X-Y地址类型固态成像装置。
[0108]固态成像装置可形成为一个芯片，或者可形成为具有成像功能的模块模式，其中成像单元和信号处理单元或者光学系统被整体封装。
[0109]〈5、电子设备〉
[0110]本发明不限于应用于固态成像装置，还能够应用于电子设备，诸如成像设备。这里，电子设备是指成像设备(照相机系统)，诸如数字静态照相机和视频照相机、具有成像功能的移动装置(诸如手机和PDA(个人数字助手))。模块模式被安装在电子设备上，即，照相机模块被作为成像设备。
[0111][成像设备]
[0112]图10是表示根据本发明实施例的作为电子设备例子的成像设备的结构例子的方框图。如图10所示，根据实施例的成像设备100具有光学系统，光学系统包括透镜组101等、成像装置102、DSP电路103 (是照相机信号处理电路)、帧存储器104、显示装置105、记录装置106、操作系统107、电源系统108等。DSP电路103、帧存储器104、显示装置105、记录装置106、操作系统107和电源系统108通过总线109互相连接。
[0113]透镜组101接收来自物体的入射光(图像光)并使光聚焦于成像装置102的成像表面。成像装置102把透镜组101聚焦于成像表面的入射光的光量转换成各个像素中的电信号，并输出这些信号作为像素信号。至于成像装置102，使用CMOS图像传感器，其中排列了具有根据第一和第二实施例的波导结构的多个像素。
[0114]显示装置105包括平板型显示装置，诸如液晶显示装置和有机EL(电致发光)显示装置，显示由成像装置102形成的运动画面或静止画面。记录装置106把成像装置102形成的运动画面或静止画面记录于记录介质，诸如录像带和DVD (数字通用盘)。
[0115]操作系统107在用户控制下发出成像设备所包括的各种功能的操作命令。电源系统108适当地把作为DSP电路103、帧存储器104、显示装置105、记录装置106和操作系统107的工作电源的各种电源提供给这些供给目标。
[0116]成像装置100被应用于视频照相机或数字静态照相机以及移动装置(诸如手机)的照相机模块。在成像设备100中，根据第一和第二实施例的CMOS图像传感器被用作成像装置102，由此提高CMOS图像传感器的聚光效率并提高灵敏度，结果，能够提供具有极佳图像质量的成像设备。由于根据灵敏度的提高能够实现像素尺寸的小型化，因此，能够提供与像素增加相对应的高清晰度成像画面。
[0117]本申请包含与2009年3月4日提交于日本专利局的日本优先权专利申请JP2009-050132所公开的主题相同的主题，其全部内容包含于此以资参考。
[0118]本领域技术人员应该理解，在权利要求或其等同物的范围内，根据设计要求和其它因素可以进行各种修改、组合、子组合和替换。
【权利要求】
1.一种固态成像装置，包括: 多个单位像素，每个单位像素包括: 光电转换部分，把入射光转换成电信号，以及 波导，在内面具有抛物面并把所述入射光引导到所述光电转换部分， 其中，所述波导从所述光电转换部分的表面延伸。
2.权利要求1所述的固态成像装置， 其中所述单位像素包括滤色片，并且在光轴方向上所述抛物面的焦点的位置根据所述滤色片的颜色而不同。
3.权利要求1所述的固态成像装置， 其中所述单位像素包括滤色片，并且被会聚到所述抛物面的焦点的光的光斑尺寸根据所述滤色片的颜色而不同。
4.一种具有多个单位像素的固态成像装置的制造方法，每个所述单位像素包括:光电转换部分，把入射光转换成电信号；以及波导，在内面具有抛物曲面并把所述入射光引导到所述光电转换部分，该方法包括步骤: 执行如下处理，在分多个阶段逐渐增加光刻胶的孔穴尺寸的同时对在其中形成波导的绝缘层反复进行蚀刻，以在所述绝缘层中形成所述波导的孔穴，其中，所述孔穴的表面为抛物线；并且 在所述空穴中将所述光电转换部分设置成所述波导从所述光电转换部分的表面延伸。
5.权利要求4所述的固态成像装置的制造方法， 其中蚀刻气体的强度在多个阶段的蚀刻处理中被改变。
6.—种电子设备,包括: 具有多个单位像素的固态成像装置，每个所述单位像素包括: 光电转换部分，把入射光转换成电信号，以及 波导，在内面具有抛物曲面并把所述入射光引导到所述光电转换部分， 其中，所述波导从所述光电转换部分的表面延伸。
【文档编号】H01L27/146GK104037183SQ201410178203
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2010年2月25日 优先权日:2009年3月4日
【发明者】熊谷至通, 石渡宏明 申请人:索尼公司